风电场发电可靠性及容量可信度评估.pdf

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风电场发电可靠性及容量可信度评估1 风电场发电可靠性及容量可信度评估2 风电场发电可靠性及容量可信度评估3 风电场发电可靠性及容量可信度评估4 风电场发电可靠性及容量可信度评估5 风电场发电可靠性及容量可信度评估6
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第40卷第18期2012年9月l6日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlv0l_40No.18Sep.16,2012风电场发电可靠性及容量可信度评估钟浩,唐民富(1.三峡大学电气与新能源学院,湖北宜昌443002;2.湘西电业局,湖南吉首416000)摘要:采用多态发电机组的卷积公式建立包含风电场停运容量的电力系统等效负荷持续曲线(EquivalentLoadDurationCurve,ELDC)模型,用于计算风电场并入电力系统后系统的失负荷概率(LosSofLoadProbabi1ity,LOLP)。利用风电场所能替代的理想机组容量与风电场额定容量的比值作为风电场容量可信度(CapacityCredit,CC)的定义。推导出风电场所能替代的理想机组容量与所能替代的常规机组容量(常规机组的强迫停运率为口)之间的关系表达式,以评估风电场并入电网后所能替代的常规机组发电容量的大小。测试算例的计算结果验证了所提方法的正确性和有效性。关键词:多态发电机组;等效负荷持续曲线;理想机组;失负荷概率;容量可信度AssessmentonthereliabilityandcapacitycredibilityofwindfarmsZHONGHao,TANGMin.fu(1.SchoolofElectricalEngineeringandRenewableEnergy,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443002,China;2.XiangxiElectricityPowerBureau,Jishou416000,China)Abstract:Tocalculatethelossofloadprobabilityofthepowersystemaftertheaccessoflargewindfarm,theequivalentloaddurationcurve(ELDC)modelcontainingtheoutagecapacityisestablishedusingtheconvolutionformulaofpolymorphicgenerators.’Thecapacitycredibilityofwindfarmisdefinedasaratioofthecapacityoffictitious100%reliableunittothewindfarmSratedcapacity.Therelationalexpressionbetweenthefictitious100%reliableunitcapacityandtheconventionalunitcapacityisdeducedtocalculatethereplacedconventionalunitcapacitywhenwindfarmisintegratedinthepowergrid.Thecasesstudieswerecarriedoutonaseriesexistingsystemsandtheresultsproveitscorrectnessandeffectiveness.Keywords:polymorphicgenerator;equivalentloaddurationcurve;fictitious100%reliableunit;lossofloadprobability;capacitycredibility中图分类号:TM712文献标识码:A文章编号:1674-3415(2012)18-0075.060引言风力发电作为一种清洁的可再生能源发电,得到了越来越多的关注与研究。风电具有较强的随机性、间歇性和波动性等明显区别于常规能源的特点,而且当风电在电网中所占比例较大时,对电力系统的可靠性运行有很大影响¨~1。近年来,随着风电场规模和风电机单机容量的不断扩大、风电场并网比例的不断增加,风电场并网对电力系统可靠性的影响越来越突出。因此有必要深入研究风力发电的可靠性及其对电力系统的影响,充分评估风电场的容量可信度。含风电场的电力系统可靠性分析有解析法L3和模拟法[6-71两种。解析法一般都基于马尔科夫链方法,模拟法在建模和算法实现等方面比解析法简捷。基金项目:三峡大学人才科研启动基金项目(0620120014)文献[8.10]基于蒙特卡罗仿真法建立了风电场的可靠性模型,并分析了风电场对电力系统可靠性的影响,但其所使用的可靠性指标电力不足时间期望值(LossofLoadExpectation,LOLE)和电量不足期望值(ExpectedEnergyNotSupplied,EENS)不能直接显示风电场对电力系统可靠性的影响;文献[11.13】用风电场容量可信度来评估风电场对电力系统可靠性的影响,能直接显示风电场对电力系统可靠性的贡献;文献[141采用试验法比较了采用不同风电容量可信度定义时其计算结果的差异,认为采用等效固定容量(EquivalentFirmCapacity,CE)或有效载负荷能力(EffectiveLoadCarryingCapability)作为风电场可信用发电容量的定义更为合理。本文采用风电场等效固定容量与风电场总装机容量的比值作为风电场容量可信度的定义,用蒙特卡罗法模拟风电场有功出力,用多态发电机组的卷积公式把风电场的容量停运表卷积计算到等效负.76.电力系统保护与控制荷持续曲线中来分析风电场接入系统时对电力系统可靠性的影响,并评估风电场容量可信度。论文最后通过对一系列既存测试系统进行计算来验证所提方法的正确性和有效性。1风电场出力模型风电场的风力发电机以风为原动力。大量的统计数据表明,风速具有服从威布尔分布的特点,,风速的分布函数为n,、厂()=V.e(1)F():1一e一((2)其中:为尺度参数(反映平均风速);B为形状参数(反映风速在平均值附近的分布情况);为风速随机变量:f(V)为概率密度函数;F(V)为累积分布函数。风电机组的输出功率与风速之间的关系曲线有着不同的形状,而其中线性特性与风电机组的实验数据较为接近引,如图1所示。—。v/ms一图1风电机组输出功率曲线Fig.1OutputCHIVeofwindunit风电机输出功率与风速的关系表达式为P(v)=≥0vVci或v"Pc。.Vci<v<vr(3)一yciVvc。式(3)中:v为风电场中风电机组轮毂高处的风速;为切入风速;v为额定风速;为切除风速;为风电机组额定输出功率。对于同一个风电场,所有发电机组输出功率的总和就是风电场的输出功率,但需…计及尾流效应J。风电场的预测出力曲线可以采用蒙特卡罗法模拟得到,其步骤见参考文献[1O】。2风电场的发电可靠性分析2.1等效负荷持续曲线等效负荷持续曲线是把发电机组的故障当成等效负荷对原始负荷持续曲线(LoadDurationCurve,LDC)不断修正的结果。负荷持续曲线横坐标表示系统负荷的大小,纵坐标t表示系统负荷持续的时间,表达式为F(x)。曲线上面任何一点f,f)表示系统负荷大于等于的持续时间。为了便于应用,可以把纵坐标用厂()来表示,f(x)与F(x)的关系如式(4)所示。f(x)=F()/T(4)式(4)中,为研究周期,这时,纵坐标f(x)的含义为系统负荷大于等于的概率。等效负荷持续曲线跟负荷持续曲线的不同点在于,其横坐标所表示的是等效负荷E。关于等效负荷的含义可参考图2,图中把实际机组用完全可靠的虚拟机组及虚拟的随机负荷所代替,虚拟的随机负荷发生的概率密度函数就等于发电机组停运容量的概率密度函数,计及机组虚拟随机负荷的系统负荷称为系统的等效负荷【1,其计算式如式(5)所示。∑E:+(5)容量cI100%可靠容量C21OO%可靠图2虚拟发电机组及虚拟的系统负荷模型Fig.2Virtualgeneratorsandsystemloadmodel设f0f1是原始负荷持续曲线,发电机组1的额定容量为,强迫停运率为,正常运行的概率为Pl,其中P.=1一ql。根据Baleriaux-Booth公式L1,考虑发电机组l的随机停运影响后,系统的等效负荷持续曲线为—(X)=PIfo()+q,fo(xCt)(6)图3为等效负荷持续曲线与负荷持续曲线的示意图。£L一十c图3等效负荷持续曲线Fig.3Illustrationofequivalentloaddurmioncurve一般地,当计及第f一1台机组时系统的等效负荷持续曲线为一(),那么第i台发电机并入时,钟沽,等风电场发电可靠性及容量可信度评估.77一等效负荷持续曲线为—()=P一()+一(Ci)(7)式(7)qh:Ci、q分别为发电机组i的额定容量和强—迫停运率;P,=lq。在发电机逐个卷积的过程中,等效负荷持续曲线不断变化,最大等效负荷也不断增加。假设系统∑有台发电机组,总装机容量为Ct。=Ci。当全部发电机组卷积运算结束后,等效持续负荷曲线为(),最大等效负荷为+Ct。。设系统的失负荷概率为—LOLP,,:P(L>C10lCo)=P(E>)(8)式(8)中:为所有已停运的机组的容量总和;=£+为系统的等效负荷。根据等效负荷持续曲线的定义可知LOLP,,=()(9)2.2计及风电场的等效负荷持续曲线风电场接入系统时,不能像常规机组那样直接进行卷积计算。但是风电场可以等效成多状态发电机组[18],因此可利用多状态发电机组的卷积公式㈣来对风电场停运容量进行卷积计算。Ⅳ设发电机i的额定容量为CN,有个状态,发电出力c的概率为P,表示对应状态下的发电…机停运容量,并有关系式十=CN,(S=1,2,,JV)。对于发电机组i的状态来说,其停运容量对应的概率为P,在这个状态下,机组i和其他尚未带负荷的机组应以P的概率承担等效负荷一。+(一为计及前i-1台机组的系统的等效负荷),相当于把等效负荷持续曲线向右移动了,也就是说由于机组i的运行,系统等效负荷持续曲线将以Ps的概率变为一.—(),因此,最终的等效持续负荷曲线应为各个状态的加权平均值,如式(10)。Ⅳ∑—()=P一。()(10)式(10)中的P满足以下条件:P=1(11)3风电场容量可信度评估3.1容量可信度定义风电场容量可信度是指在保持系统可靠性水平的前提下,风电场能替代的常规发电容量与风电场容量的比值。风电场能替代的常规发电容量一般也称为风电场可信用发电容量,其定义方式有多种,本文采用等效固定容量,即等效为一台理想—机组的容量【H]。对于一个已含有/71台既存机组、失负荷概率为LOLP,,一的既存系统,当装机容量为的常规发电机组并入该既存系统后,整个系统的失负荷概率降为LOLl:'.,假设在保持相同失负荷概率条件下,需要加入一台理想机组(fictitious100%reliableunit)的装机容量为CF,那么就定义该常规发电机组的可信用发电容量为cF,相应的机组的容量可信度为,1——CC=f12)”. ̄"EFC同样地,如果加入的是风电场,它可替代的理想机组容量为。那么,风电场容量可信度为r、CC.nd:(13)Lwind3.2等效负荷持续曲线中的容量可信度根据式(9)可知,一个有一1台发电机组、总装n-I∑机容量为ct"=的既存系统,其失负荷概率为iLOLP.一l=.()(14)对于额定容量为c眦的理想机组,由于其停运容量等于的概率为0,停运容量等于零的概率为1,根据式(7),理想机组加入系统后,等效负荷持续曲线为(=1(+0(一):((15)从式(15)中可以看出,加入理想机组后等效负荷持续曲线的形状没有发生变化,此时系统的失负荷概率为LOLP.=一l(CEFc+)(16)令系统接入常规机组珂后的失负荷概率等于接入理想机组后的失负荷概率,即(+):一。(+)(17)式(17)左右两边对一求逆函数,可得CEc=(LOLP.)一(18)CF的示意图如图4所示。一.MW图4等效固定容量示意图Fig.4Illustrationofequivalentfirmcapacity.78.电力系统保护与控瑚于是,机组的容量可信度为CC.:I(LOLP.)一I/(19)若系统并入的是一个总装机容量为的风电场,则可得到风电场的容量可信度为cCwid=I(LOLP.)一l/Cwi州(20)根据式(18)还可以算出在保持相同可靠性水平的条件下,风电场所能替代的非理想常规机组的容量cc。:ll_(21)—Ll式(21)中:LOLP.~为计及风电场后系统的失负荷概率;q为风电场可替代的常规机组的强迫停运率。3.3容量可信度算法流程本文引入单点割线法计算风电场的容量可信度,算法过程示意图见图5。f(x)三0£LOLI图5等效固定容量的求解过程示意图Fig.5IllustrationofsolvingprocessforCErc图5中LOLP.为既存系统的原始可靠性指标,LOLP.+。为计及风电场后系统的可靠性指标,现在要求风电场的等效固定容量CEF,先求点(,LOLP,,)与点(,())之间的直线,它与直线S(x)=LOLl ̄.+.的交点横坐标为X2,求出过点(,LOLP.)和(,())的直线与S(x)=LOLP.+。的交点横坐标,如此下去,通过式(22)进行计算。xk=xo¨东(22)式中,x0,xj=。每完成一次计算需进行精度判断,若不满足精度要求,则返回式(22)继续进行迭代计算,直到f()-LOLP.+。l<为止,为给定的精度,此时可认为已经逼近真值,可以得出风电场的等效固定容量=一。4算例分析现有三个既存测试系统,各系统所含机组台数及容量见表1,规定系统负荷服从正态分布,且符合以下假设:(1)每个既存系统的负荷均值可为该系统既存机组总装机容量的9/15,10/15或12/15。(2)每个既存系统的负荷标准差可为负荷均值的8%,10%或12%。(3)每个既存系统中所有既存机组的强迫停运率FOR相同,可选的取值为0.1,0.08,0.06。根据以上假设,每个既存测试系统有27个组合状态。设风电场的风速分布参数为:=6.1,B=1.8,风力发电机额定容量为1.5MW,切入风速为3m/s,额定风速为10.5m/s,切除风速为22m/s,风电场总装机容量为1701MW。风电场有功出力分布曲线见图6。为了便于比较分析,本文还选择一台常规机组与风电场进行对应计算。该常规机组的额定容量为600MW,强迫停运率为0.1,发电期望均值为540MW,与风电场的发电期望均值(536.92MW)大致相当。表1既存测试系统配置Table1Existingtestsystemssetting图6为风电场的有功出力的累积概率分布曲线,风电场输出功率的期望均值为536.92MW。从图6中可以看出风电场发出功率大于1600MW的概率接近于零,这说明风电场出力没有达到总装机容量,这是由于尾流效应造成的。图7和图8分别显示常规机组和风电场的容量可信度,两图中的横坐标均表示既存测试系统的失负荷概率LOLP。从图8中可以看出:(1)当LOLPdMW图6风电场输出功率累积分布曲线Fig.6Cumulativedistributioncurveofwindfarmoutputpower钟浩,等风电场发电可靠性及容量可信度评估.79.P图7常规机组的容量可信度Fig.7Capacitycreditofconventionalgenerator图8风电场的容量可1言度Fig.8Capacitycreditofwindpower一定时,风电场并入系统3所得出的容量可信度最大,并入系统1所得的结果最小。可以认为:在失负荷概率一定时,风电场所要并入的既存测试系统的总装机容量越大,风电场的容量可信度也越大;(2)对于同一个系统而言,风电场的容量可信度跟该系统的LOLP表现出一条较为明显的关系:LOLP越大,风电场的容量可信度也越大。图7中的常规机组容量可信度也符合这两条规律。另外,虽然风电场的发电期望均值跟常规机组的发电期望均值大致相当,但通过比较图7和图8可知,风电场的容量可信度比常规机组的要小。图9显示在获得与风电场相同的可靠性贡献的前提下,应该并入的常规机组的容量(设该机组的强迫停运率为O.11的大小。图9可替代的常规机组容量Fig.9Alternativeconventionalcapacity图中的横坐标表示既存测试系统的LOLP,在LOLP一定的条件下,风电场并入系统3时所能替代的常规机组的容量最大,并入系统1所能替代的容量最小。显然,风电场所替代的常规机组容量的大小跟风电场的容量可信度密切相关,风电场的容量可信度越大,它能替代的常规机组的容量也越大。5结论本文采用多态机组的卷积公式把风电场的停运容量卷积计算到等效负荷持续曲线中,进而评估风电场对系统的发电可靠性影响,计算风电场的容量可信度指标,结果表明:(1)与相同发电期望值的常规机组相比,风电场对电力系统的发电可靠性贡献要小;(2)风电场的容量可信度不是一个绝对概念,而是跟其所并入的既存系统有关。既存系统的失负荷概率和装机容量越大,风电场的容量可信度越高,失负荷概率和装机容量越小,风电场的容量可信度越低。参考文献[1]ValleeELobryJ,DeblekerO.Impactofthewindgeographicalcorrelationlevelforreliabilitystudies[J].IEEETransonPowerSystems,2007,22(4):2232・2239.[2]张粒子,王茜.计及负荷损失费用的含风电场发输电系统可靠性评估[J】.电力系统保护与控制,2010,38(20):39-44.ZHANGLi-zi,WANGQian.Reliabilityassessmentofcompositegenerationandtransmissionsystemswithwindfarmsconsideringloadlosscost[J].PowerSystemProtectionandControl,2010,38(20):39-44.[3]SayasFC,AllanRN.Generationavailability—assessmentofwindfarms[J].IEEProcGene 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一夕落阳
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